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  高彈性的蛋白質(zhì)材料不僅在彈性組織中發(fā)揮著重要的力學(xué)功能，比如肺泡擴(kuò)張，也可以應(yīng)用于一系列的生物醫(yī)學(xué)工程研究， 比如可穿戴生物電子設(shè)備和軟體機(jī)器人等。蛋白質(zhì)材料的高彈性一般源自其氨基酸序列和分子的構(gòu)象，并認(rèn)為和橡膠一樣屬于熵彈性。但是用于制備高彈性蛋白質(zhì)材料的序列或分子設(shè)計非常有限，而這種序列-構(gòu)象-彈性關(guān)系的分子機(jī)制也沒有得到全面的理解。近日，Tufts大學(xué)David L. Kaplan 課題組和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang 課題組合作在PNAS上發(fā)表名為《Conformation-driven strategy for resilient and functional protein materials》 的工作。其揭示了蛋白質(zhì)彈性體的分子機(jī)制和制備了梯度蛋白質(zhì)材料，為功能性蛋白質(zhì)材料的發(fā)展提供了研究機(jī)會。文章第一作者為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院、塔夫茨大學(xué)博士后研究員慕軒。

圖1. 光交聯(lián)絲蛋白水凝膠具備不同的分子構(gòu)象（conformation）和機(jī)械彈力（resilience）。

  研究者們采用了由Bombyx mori蠶繭再生得到的絲蛋白（Silk fibroin）溶液來進(jìn)行這一項(xiàng)工作。絲蛋白具有生理相關(guān)的多重分子構(gòu)象（conformational polymorphism），比如亞穩(wěn)態(tài)的random coils 和穩(wěn)態(tài)的β-sheets，因此是一種非常有益的蛋白質(zhì)材料用于研究構(gòu)象的調(diào)控變化和研究構(gòu)象-彈性的關(guān)系。另外，絲蛋白的氨基酸序列和組成與自然界中的最常見的兩種彈性蛋白質(zhì)（resilin 和elastin）有明顯的差異，因此有助于理解蛋白質(zhì)彈性體的分子設(shè)計。比如， 與天然彈性蛋白相比，絲蛋白（重鏈）含有相匹配的甘氨酸含量，但是顯著減少的脯氨酸含量。這一結(jié)果可能說明，甘氨酸的高含量是彈性所必須的；脯氨酸的含量不影響蛋白材料的彈性，但可能與構(gòu)象的穩(wěn)定性相關(guān)。絲蛋白溶液在基于Ru/SPS的光交聯(lián)之后得到as-prepared的水凝膠；其在生理鹽水中浸泡得到swollen水凝膠。As-prepared和swollen絲蛋白水凝膠都保持了random coil的分子構(gòu)象。該分子構(gòu)象并沒有一個固定的三維結(jié)構(gòu)，而是一系列可以快速，相互轉(zhuǎn)換的三維結(jié)構(gòu)。根據(jù)Boltzmann公式，微觀狀態(tài)數(shù)與熵相關(guān)。因此random coil構(gòu)象具有較多的微觀狀態(tài)數(shù)和較高的熵。在外力拉伸絲蛋白水凝膠的作用下，絲蛋白分子鏈趨于相互平行，熵被降低。在外力去除之后，熵會自動增大，并由此驅(qū)動水凝膠恢復(fù)原先的形狀。這一彈性形變過程只涉及熵的變化，且不涉及能量的損失，稱為熵彈性。研究者進(jìn)一步使用甲醇溶液對swollen絲蛋白水凝膠進(jìn)行處理得到rigid 水凝膠。其中，絲蛋白分子的主要構(gòu)象從random coils 轉(zhuǎn)化為β-sheets。β-sheets具有固定的三維分子結(jié)構(gòu)和單一的微觀狀態(tài)數(shù)，因此降低了熵和彈性。絲蛋白的構(gòu)象多態(tài)性和以此構(gòu)建的多種水凝膠提供了一個通用的技術(shù)平臺用于研究構(gòu)象-彈性關(guān)系。

圖2. 絲蛋白水凝膠的彈性表征，與天然彈性蛋白的比較，以及與構(gòu)象的關(guān)聯(lián)。

  研究者使用拉伸測試（tensile tests）和動態(tài)材料測試（dynamic mechanical analysis）表征了絲蛋白水凝膠的彈性。其中as-prepared 和swollen絲蛋白水凝膠的彈性與天然彈性蛋白resilin和elastin相差無幾；而rigid 絲蛋白水凝膠則表現(xiàn)明顯下降的彈性。例如，as-prepared絲蛋白水凝膠在不同的拉伸應(yīng)變下保持超過97%的超高彈性和穩(wěn)定的拉伸模量。Swollen絲蛋白水凝膠的機(jī)械性能受到其含水量增高的影響，其拉伸模量變小，而彈性略微降低，但仍保持與天然彈性蛋白質(zhì)材料相匹配的水平。Rigid水凝膠則顯示了顯著降低的彈性，應(yīng)由構(gòu)象變化所致。另外，研究者通過控制甲醇溶液的處理時間，得到具有不同構(gòu)象含量的絲蛋白水凝膠。研究者進(jìn)一步使用了拉曼（Raman） 光譜，尤其是amide I的半峰寬和酪氨酸雙峰比值（I850/I830）等半定量性質(zhì)，表征了這些絲蛋白水凝膠的分子構(gòu)象。研究結(jié)果展示絲蛋白的分子構(gòu)象和其彈性具有直接的、幾乎線性的關(guān)聯(lián)。這些結(jié)果支持了傳統(tǒng)的構(gòu)象-彈性的關(guān)系，建議了基于構(gòu)象操縱蛋白質(zhì)水凝膠彈性的策略，以及提供了表征蛋白質(zhì)水凝膠機(jī)械性能的光譜學(xué)方法。

圖3. 基于構(gòu)象的梯度蛋白質(zhì)材料。

  梯度材料（graded materials）常見于生物體內(nèi)用于連接機(jī)械性能不一致的組織和材料，比如骨組織和肌肉，牙齒和牙齦，以及貝殼和巖石等。連續(xù)變化的機(jī)械性能有助于減小局部的應(yīng)力過大和穩(wěn)定不同組織間的連接等。研究者利用絲蛋白水凝膠的構(gòu)象多態(tài)性和其構(gòu)象-彈性的關(guān)系，構(gòu)建了梯度蛋白質(zhì)材料。研究者首先發(fā)展了單向的甲醇處理方法，讓絲蛋白水凝膠具有空間連續(xù)變化的構(gòu)象梯度，其由激光拉曼光譜進(jìn)行表征。研究者再利用壓縮方法測試了局部的水凝膠材料，其模量和彈性與構(gòu)象的含量基本一致。比如，水凝膠的兩端分別類似于彈性的as-prepared水凝膠和非彈性的rigid水凝膠；而中間的過度區(qū)域則展示了介于兩端之間的構(gòu)象和彈性。研究者進(jìn)一步發(fā)展了有限元分析方法來模擬蛋白質(zhì)材料的旋轉(zhuǎn)，并取得與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的模擬結(jié)果。例如，對于梯度蛋白質(zhì)材料，旋轉(zhuǎn)螺旋的位置都更偏向彈性的一段；而swollen水凝膠的螺旋則在中間。

  文章鏈接：https://www.pnas.org/content/119/4/e2115523119